第一章 绪论
1.1 研究工作的背景和意义
微电子集成电路蓬勃发展是当今世界综合国力的重要展示。集成电路的制造实现了世界上精细加工最高“艺术”。集成电路可以与现代工业的“基石”相提并论,它对于手机，计算机，家用电器，汽车，高速铁路，工业控制等各种民用领域，航空航天和智能武器等军事和国防领域都不可或缺。如果集成电路产业繁荣，那么国家经济也将长盛不衰。集成电路在电子信息的发展中起着重要的支持作用。而今第五代移动通信技术（5G）带来了信息交换翻天覆地变化。各类智能终端的发展，信息传输都离不开集成电路的支持，可以说，集成电路将支撑起未来高智能化世界的发展。模拟集成电路是集成电路的重要分支，主要是指由电容器（Capacitors），电阻器（Resistors），晶体管（Transistors）等电子元器件组成的电路，能够处理连续变化的物理量信息，其重要作用不言而喻。
运算放大器（Operational Amplifier）是电路实现高精度模拟和混合模式模块的设计中最重要和最受欢迎的构建基块[1]。其高增益、高输入阻抗等特点，在模拟信号运算中起重要作用，几乎取代了在所有工业应用中使用的传统固态模拟控制系统。随着新型工艺设备技术的引入，已经用于各种模拟系统的实现，模拟仪表设计，模拟计算以及执行诸如高阶信号有源滤波，信号电压放大，信号放大等任务、以及信号的转导和高速转换。通用运算放大器用于实现电路，例如积分器，微分器，平均电路，输入模拟信号相加，信号缓冲，高速比较器电路，削波组件，钳位组件，对数和反对数放大器，稳压电源，负阻抗转换器，差分放大器，反相和同相放大器以及数模转换器和许多其他应用。理想的运算放大器是确保在无穷大带宽上具有无穷大电压增益，零输出电阻，无穷大压摆率，无穷大共模抑制比（CMRR）和无穷大输入电阻的功能模块。
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1.2 高精度低噪声轨到轨运放国内外发展情况
现如今因为智能化、小型化、便携式电子设备的发展进步，轨到轨运算放大器由于具备输入输出范围大的特点而备受重视，已经广泛用于模拟/数字信号转换、音视频采集、低压小型电源等领域。目前轨到轨运放发展主要围绕电子设备需求，具备更高的增益条件下，尽力提高精度以及降低噪声。目前国内外主流模拟集成电路厂商、各大院校开展了各类轨到轨运放研究，在国外主流期刊上关于轨到轨运放的研究文章达到数千篇之多。
国外轨到轨运算放大器电路发展比较完善，国外以 ADI、TI 为代表的模拟集成电路公司，形成了系列低噪声、高精度、低失调的上百种轨到轨运放产品，均以单片集成技术为主。ADI 公司已经推出的 AD86XX 产品，其失调电压 VOS<10μV；LTC62XX 产品，其噪声电压≤1nV/√Hz，代表了目前该类运放最高技术水平。轨到轨有各种电路结构和电路技术，如电流控制法，电压控制法，宽长比控制法，基于准浮栅管轨到轨设计等等[8-11]。国外公司以垂直整合制造（IDM）为主，其设计工艺贯穿，与本身的系统厂进行密切的垂直整合，因此在产品质量品质的提升上往往难以突破。通过分析国外 ADI 的系列经典轨对轨运算放大器，其电路、工艺、封装等有其特点，在工艺选用上，双极工艺在大电流、高电压、低噪声失调等参数方面具有优势，且制造成本上比 MOS 工艺要便宜。但同时芯片面积和静态电流不够理想。在器件结构上，输入级多采用双极型差分输入结构以及电阻负载，获得低噪声、低失调特性。中间级多采用折叠式差分结构。输出级多采用双缓冲互补结构，增强输出负载的同时，消除交越失真。器件还经常带有保护电路包括输入级压差限制电路、过流保护等。在封装方面：国外主要采用塑料封装 SOIC-8 或PDIP-8 形式，成本低廉，质量可靠性满足工业级产品要求，无其他特殊质量特性。
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第二章 运算放大器理论基础
2.1 运算放大器主要种类及特点
模拟放大器从诞生开始已发展了将近 50 年时间，其半导体制造工艺和电路设计两方面关键技术取得了巨大进展，目前主流制造工艺包括双极型（BJT）制造工艺、结型场效应管（CMOS）制造工艺、以及将 BJT 工艺和 CMOS 工艺结合的双极-互补金属氧化物半导体（BiCMOS）制造工艺。
双极型集成电路工艺是所有工艺中最早发明的，集成内部制造全部采用NPN-PNP 管子，它是电流型器件，具有输入阻抗低、功耗高、输入噪声低等特点，标准双极工艺目前多结合精密修调技术，如激光修调、反熔丝修调等，以提升精度指标，利用晶体管组成的放大器可以得到比场效应管更大的电压放大倍数。目前该工艺仍广泛用于高速度、高跨导、低噪声及阈值易控制低噪声高灵敏度放大器以及微分电路、复联器、振荡器制造中。
CMOS 制造工艺，其产品特点是输入阻抗高、集成度高，功耗低，抗干扰能力强。近年来 CMOS 运放解决了低功耗的问题，以 AD 公司推出的 LT62 系列、ADA4XXX 系列产品为代表，其功耗可以实现≤1mW 水平，可以加强电池供电寿命，提升分系统及整机的散热水平，对于整机系统来说面对装备小型化需求，可以有效降低总系统中的功耗以及额外的散热设计支出。
BiCMOS 制造工艺，将双极和 CMOS 器件集成在一套工艺上，寻求结合这两种技术的优点，目前受限于工艺难度、成本，其工艺兼容领域还没有完全解决。
近年来把数字和模拟电路相结合，实现规模更加大、更加复杂功能的数模混合电路已成为发展趋势[12-13]。而伴随着工艺水平的不断进步，深亚微米集成电路工艺能力的不断突破，运算放大器的各项性能也提升到更高的水平。无论是用于电路设计中进行模拟运算，还是作为单个器件参与板级电路搭建，运放成为最基本、最重要的元件。目前运算放大器主要按照精度、带宽、噪声、功率等指标侧重点进行分类。本文即研究同时具备精密和低噪声特点的运算放大器。
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2.2 运算放大器一般结构
运放的国标符号如图 2-1 所示。
运放一般由基准和偏置电路结构（reference and bias circuit）、输入结构（input stage）、增益结构（gain stage）、输出结构（output stage）、补偿结构（compesation and protection stage）组成。
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3.1 电路工作原理简述 .................................. 22
3.2 关键参数设计 ................................. 23
3.3 电路结构设计 ............................... 24
第四章 运算放大器关键工艺及电路仿真 ................................. 34
4.1 双极工艺参数 ........................... 34
4.2 低噪声双极型晶体管参数设计 ......................... 36
4.3 电路仿真 ................................ 38
第五章 运算放大器版图设计 ...................................... 54
5.1 运算放大器版图设计 .............................. 54
5.2 版图布局说明 .................................. 55
5.3 本章小结 ....................... 57
第六章 封装及测试设计
6.1 封装结构及工艺设计
集成电路封装扮演两个角色：1）提供与设备之间的 I/O 连接，保护设备，称为 IC 或晶圆级封装；2）互连系统级板上的有源和无源组件，称为系统整装。两者都是通过封装或板级上的互连或多层布线来实现的。如今，器件不仅开始在单个芯片上集成越来越多的晶体管，而且还集成了有源和无源组件。
该项目中，由于芯片距管壁最小间距为 0.2 mm，近年来由于轻量化、小型化、高可靠发展，封装采用高可靠陶瓷气密性封 F08 型封装，综合考虑封装的内腔大小，则能封下的最大芯片尺寸为 2.60 mm×2.34 mm。为满足绑线要求，芯片 PAD位置设计目标如图 6-1 所示：
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第七章 结论
7.1 本文的主要贡献
本文主要针对高精度、低噪声轨对轨运放的设计和产品实现进行了讨论与研究，完成了从电路设计到封装测试的产品实现全流程途径，其主要贡献主要有以下几点：
1.设计了一款高精度、低噪声轨对轨运算放大器，采用输入差分对模式设计了低噪声、低失调的输入级电路，针对低噪声特性进行分析，反复调整得到最优的输入级电路参数，并实现恒定的跨导输入。设计了倒向推挽 AB 类输出结构，通过电容补偿内环反馈作用，形成快速反馈通道，抑制输出纹波。针对高精度特性，设计激光修调和电路调整方案。
2.通过工艺线特征参数分析，选用国内某公司的 40V BJT 工艺，选择相应工艺流程，采取了相关工艺措施，以帮助实现精准、噪声特性。
3.对于各个关键参数给出了仿真方法，同时进行了仿真验证。
4.进行了精准、低噪版图设计，明确了芯片加工各个参数指标，提供了加工实现的途径。
5.完成了运放的封装和测试设计，采用高可靠 F-08 型陶瓷封装形式，设计了模拟绑线，针对封装的散热可靠性进行了研究，采取真空合金焊技术消除空洞率，提高了封装成品的质量可靠性。运用 Eagle364 系统，完成了各个关键参数测试条件的开发，针对 nV 级别噪声参数测量进行了研究，在封装完成后选取产品进行了关键参数测试，证明满足设计需要。
参考文献（略）